Universidade Federal Universidade Federal de Itajubáde Itajubá

Química NuclearQuímica Nuclear

Felipe Annoni Kawai - 15728Felipe Annoni Kawai - 15728

Thaís Silva Silvério - 15733Thaís Silva Silvério - 15733Prof. Élcio BarrakProf. Élcio Barrak

RadioatividadeRadioatividade• Núcleons → prótons e nêutronsNúcleons → prótons e nêutrons• Nº atômico (Z) = Nº de prótonsNº atômico (Z) = Nº de prótons• Nº de massa (A) = Nº total de núcleonsNº de massa (A) = Nº total de núcleons• Isótopos → átomos com mesmo Z que Isótopos → átomos com mesmo Z que

diferem em relação à Adiferem em relação à A

234234 235235 238238

UU U U U U9292 9292 9292

• As propriedades nucleares dependem de As propriedades nucleares dependem de Z e N (nº de nêutrons)Z e N (nº de nêutrons)

• Núcleos radioativos → radionuclídeosNúcleos radioativos → radionuclídeos• Átomos radioativos → radioisótoposÁtomos radioativos → radioisótopos• Equações nucleares → representação da Equações nucleares → representação da

reação de decaimento radioativo, Z e A reação de decaimento radioativo, Z e A devem ser balanceados em todas as devem ser balanceados em todas as equações nuclearesequações nucleares

238238 234 234 4 4

U → Th + HeU → Th + He 9292 90 90 2 2

Tipos de decaimento radioativoTipos de decaimento radioativo• Radiação alfa (Radiação alfa (αα) → feixe de núcleos de hélio-4, ) → feixe de núcleos de hélio-4,

que são emitidos espontaneamenteque são emitidos espontaneamente

226226 222 222 4 4

Ra → Rn + Ra → Rn + αα 8888 86 86 2 2

• Radiação Beta (Radiação Beta (ββ)) → → feixe de elétrons de alta feixe de elétrons de alta velocidade emitidos por um núcleo estável.velocidade emitidos por um núcleo estável.

131 131 131 131 0 0

I → Xe + eI → Xe + e 53 53 54 54 -1 -1

Equivalente à conversão do nêutron em um Equivalente à conversão do nêutron em um próton, em conseqüência, ocorre o aumento do próton, em conseqüência, ocorre o aumento do Z em 1Z em 1

1 11 1 0 0

n → p + en → p + e 0 1 0 1 -1 -1

• Radiação Gama (Radiação Gama () → fótons de alta energia, ) → fótons de alta energia, não altera Z e A de um núcleo. Representação: não altera Z e A de um núcleo. Representação: o o

• Captura de elétrons → captura pelo núcleo de Captura de elétrons → captura pelo núcleo de um eum e-- da nuvem eletrônica ao redor do núcleo. da nuvem eletrônica ao redor do núcleo.

81 0 8181 0 81 Rb + e → KrRb + e → Kr

37 37 -1 -1 3636

• Pósitron → possui a massa de um ePósitron → possui a massa de um e--, mas carga , mas carga contrária. contrária. O isótopo de carbono-11 decai por emissão O isótopo de carbono-11 decai por emissão de pósitron.de pósitron.

11 11 11 0 11 0C → B + eC → B + e

6 6 5 15 1

• Captura de elétrons, como a emissão de Captura de elétrons, como a emissão de pósitron tem efeito de converter um próton em pósitron tem efeito de converter um próton em

um nêutron:um nêutron:

1 0 11 0 1

p → e → np → e → n 1 1 -1 0 -1 0

Padrões de estabilidade nuclearPadrões de estabilidade nuclear• Razão nêutron-próton → fator dominante da Razão nêutron-próton → fator dominante da

estabilidade nuclear. Comparando-se a razão estabilidade nuclear. Comparando-se a razão nêutron-próton de um nuclídeo com o nêutron-próton de um nuclídeo com o cinturão de estabilidade, pode-se determinar cinturão de estabilidade, pode-se determinar o modo de decaimento radioativo. Podemos o modo de decaimento radioativo. Podemos visualizar três situações gerais:visualizar três situações gerais: Núcleos acima do cinturão de estabilidade Núcleos acima do cinturão de estabilidade

(altas razões nêutron-próton):(altas razões nêutron-próton): núcleos núcleos ricos em nêutrons e tendem a emitir ricos em nêutrons e tendem a emitir partículas partículas ββ..

Núcleos abaixo do cinturão de Núcleos abaixo do cinturão de

estabilidade (baixas razões nêutron-estabilidade (baixas razões nêutron-

próton):próton): núcleos ricos em prótons que núcleos ricos em prótons que

tendem a emitir pósitron ou capturar tendem a emitir pósitron ou capturar

elétrons.elétrons.

Núcleos com números atômicos ≥ 84:Núcleos com números atômicos ≥ 84:

núcleos mais pesados que tendem a núcleos mais pesados que tendem a

emitir partícula emitir partícula αα..

• Série de radioatividade ou desintegração Série de radioatividade ou desintegração nuclear → série de reações nucleares que nuclear → série de reações nucleares que começa com um núcleo instável e termina com começa com um núcleo instável e termina com um núcleo estável. um núcleo estável.

• Fatores que ajudam a determinar a estabilidade Fatores que ajudam a determinar a estabilidade nuclearnuclear Números mágicos: números de núcleons Números mágicos: números de núcleons

mais estáveismais estáveis 2, 8, 20, 28, 50 ou 82 → prótons2, 8, 20, 28, 50 ou 82 → prótons 2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126 → nêutrons2, 8, 20, 28, 50, 82 ou 126 → nêutrons

Núcleos com números pares tanto de Núcleos com números pares tanto de prótons quanto de nêutrons geralmente são prótons quanto de nêutrons geralmente são mais estáveis que os com números ímparesmais estáveis que os com números ímpares

4 40 4 40 98 98

He e Ca (estáveis) Tc (instável, radioativo)He e Ca (estáveis) Tc (instável, radioativo) 2 20 2 20 43 43

Transmutações nuclearesTransmutações nucleares• Transmutações nucleares → conversões Transmutações nucleares → conversões

induzidas de um núcleo em outro, podendo ser induzidas de um núcleo em outro, podendo ser realizadas pelo bombardeamento do núcleo realizadas pelo bombardeamento do núcleo com partículas carregadas ou nêutronscom partículas carregadas ou nêutrons

14 14 4 17 1 4 17 1

N + He → O + HN + He → O + H 7 7 2 2 8 8 11

• Uso de partículas carregadas → partículas Uso de partículas carregadas → partículas carregadas devem se movimentar mais carregadas devem se movimentar mais rapidamente para superar a repulsão rapidamente para superar a repulsão eletrostática entre elas e o núcleo-alvo. Os eletrostática entre elas e o núcleo-alvo. Os aceleradores de partículas permitem que as aceleradores de partículas permitem que as partículas superem essas repulsões partículas superem essas repulsões eletrostáticaseletrostáticas

• Uso de nêutrons → muitos isótopos Uso de nêutrons → muitos isótopos sintéticos são preparados usando nêutrons sintéticos são preparados usando nêutrons como projéteis. Os nêutrons necessários são como projéteis. Os nêutrons necessários são produzidos pelas reações que ocorrem nos produzidos pelas reações que ocorrem nos reatores nucleares.reatores nucleares.

• Elementos transurânicos → transmutações Elementos transurânicos → transmutações artificiais têm sido usadas para produzir os artificiais têm sido usadas para produzir os elementos com Z acima de 92. São elementos com Z acima de 92. São produzidos pelo bombardeamento de urânio-produzidos pelo bombardeamento de urânio-238 com nêutrons.238 com nêutrons.

Velocidades de decaimento Velocidades de decaimento radioativoradioativo

• Meia-vida → tempo necessário para que Meia-vida → tempo necessário para que metade de certa quantidade de uma metade de certa quantidade de uma substância radioativa decaiasubstância radioativa decaia Cada isótopo tem sua própria meia-vidaCada isótopo tem sua própria meia-vida

• Como a meia-vida de qualquer nuclídeo é Como a meia-vida de qualquer nuclídeo é constante, a meia-vida pode servir como um constante, a meia-vida pode servir como um relógio nuclear para determinar idades de relógio nuclear para determinar idades de diferentes objetos. A meia-vida do carbono-14 diferentes objetos. A meia-vida do carbono-14 é de 5.715 anosé de 5.715 anos

14 14 14 0 14 0 C → N + eC → N + e

6 6 7 -17 -1

• Decaimento radioativo → processo cinético Decaimento radioativo → processo cinético de 1ª ordemde 1ª ordem

• Velocidade de decaimento (atividade) → Velocidade de decaimento (atividade) → diretamente proporcional ao nº de núcleos diretamente proporcional ao nº de núcleos radioativos N na amostra:radioativos N na amostra: Velocidade = kNVelocidade = kN ln( Nln( Nt t / N/ N0 0 ) = - kt) = - kt k = 0,693 / tk = 0,693 / t1/21/2

• Bequerel (Bq) → unidade de atividade Bequerel (Bq) → unidade de atividade radioativa. radioativa. 1 Bq = desintegração / s1 Bq = desintegração / s

Detecção de radioatividadeDetecção de radioatividade• BequerelBequerel• Lâminas e Filmes Fotográficos → extensão Lâminas e Filmes Fotográficos → extensão

do obscurecimentodo obscurecimento• Contador Geiger → ionização da matéria e Contador Geiger → ionização da matéria e

condução de corrente elétricacondução de corrente elétrica• Contador de Cintilações → detecção e Contador de Cintilações → detecção e

medição pelos sinais de luz produzidos por medição pelos sinais de luz produzidos por uma substância fosforescenteuma substância fosforescente

• Métodos quantitativosMétodos quantitativos

Rastreadores radioativosRastreadores radioativos

• Radioisótopos usados para seguir um Radioisótopos usados para seguir um elemento por suas reações químicaselemento por suas reações químicas

• Aplicações médicas → ferramentas de Aplicações médicas → ferramentas de diagnósticodiagnóstico Habilidade do composto radioativo de Habilidade do composto radioativo de

localizar-se e concentra-se no órgão ou localizar-se e concentra-se no órgão ou tecido sob investigaçãotecido sob investigação Iodo-131 → glândulas tireóidesIodo-131 → glândulas tireóides

Tomografia por emissão de pósitron → Tomografia por emissão de pósitron → construção de imagem computadorizada construção de imagem computadorizada do órgão que está emitindo a radiação do órgão que está emitindo a radiação Radionuclídeos mais utilizados: Radionuclídeos mais utilizados: 1111C, C,

1818F, F, 1515O, O, 1313NN

Variação de energia nas reações Variação de energia nas reações nuclearesnucleares

• Equação de Einstein → E = m.cEquação de Einstein → E = m.c22

E = energia (J), m = massa (kg), c = E = energia (J), m = massa (kg), c = velocidade da luz = 2,9979 x 10velocidade da luz = 2,9979 x 1088 m/s m/s

• ΔΔE = E = ΔΔm.cm.c22

ΔΔm = m m = m total dos produtostotal dos produtos – m – m reagentesreagentes

• Perda de massa → perda de energia (Perda de massa → perda de energia (ΔΔE<0) E<0) → exotérmica→ exotérmica Reações nucleares espontâneasReações nucleares espontâneas

• Ganho de massa → ganho de energia (Ganho de massa → ganho de energia (ΔΔE>0) E>0) → endotérmica→ endotérmica

• ΔΔE e E e ΔΔm nas reações nucleares são muito m nas reações nucleares são muito maiores que nas reações químicasmaiores que nas reações químicas

Energia de coesão dos núcleosEnergia de coesão dos núcleos

• Energia necessária para separar um núcleo Energia necessária para separar um núcleo em seus núcleonsem seus núcleons E E coesãocoesão, , estabilidade do núcleoestabilidade do núcleo Comparação das estabilidades de Comparação das estabilidades de

diferentes combinações de núcleonsdiferentes combinações de núcleons

• m m núcleosnúcleos < m < m núcleons individuaisnúcleons individuais

Perda de massa (m Perda de massa (m núcleonúcleo – m – m núcleons constituintesnúcleons constituintes))

Adição de energia para quebrar o núcleoAdição de energia para quebrar o núcleo

Fissão NuclearFissão Nuclear• Núcleos pesados → Núcleos médios + energiaNúcleos pesados → Núcleos médios + energia• Reação em cadeiaReação em cadeia

• Bomba AtômicaBomba Atômica

• Massa crítica → massa mínima de material físsilMassa crítica → massa mínima de material físsil Massa subcríticaMassa subcrítica Massa supercríticaMassa supercrítica

• Reatores NuclearesReatores Nucleares

Fusão NuclearFusão Nuclear

• SolSol

• Núcleos leves → Núcleos pesados + energiaNúcleos leves → Núcleos pesados + energia

• Maior disponibilidade de isótopos mais Maior disponibilidade de isótopos mais levesleves

• Altas energias necessárias para superar Altas energias necessárias para superar repulsão entre núcleosrepulsão entre núcleos Altas energias → Altas temperaturasAltas energias → Altas temperaturas

• Reações termonuclearesReações termonucleares

• Bomba termonuclear ou de hidrogênioBomba termonuclear ou de hidrogênio Uso de bomba atômica para alcançar Uso de bomba atômica para alcançar

altas temperaturasaltas temperaturas Inadequada para geração controlada Inadequada para geração controlada

de energiade energia• Inexistência de material estrutural que Inexistência de material estrutural que

resista às temperaturas necessáriasresista às temperaturas necessárias PesquisasPesquisas

Tokamak → campos magnéticos fortesTokamak → campos magnéticos fortes Laseres poderososLaseres poderosos

Efeitos biológicos da radiaçãoEfeitos biológicos da radiação• Constante exposição à radiação natural e Constante exposição à radiação natural e

artificial (Ex: luz visível do sol, microondas, artificial (Ex: luz visível do sol, microondas, raios X)raios X)

• Diferentes energias para diferentes espécies Diferentes energias para diferentes espécies de radiaçãode radiação

• Tipos de radiação:Tipos de radiação: Não-ionizantes → excitação de elétronsNão-ionizantes → excitação de elétrons

Geralmente possui energia mais baixaGeralmente possui energia mais baixa

Ionizante → remoção de um elétron do Ionizante → remoção de um elétron do átomo ou moléculaátomo ou molécula Geralmente muito mais prejudicial aos Geralmente muito mais prejudicial aos

sistemas biológicossistemas biológicos Formação de radicais livresFormação de radicais livres nos tecidos nos tecidos

humanoshumanos HH22OO++ + H + H22O → HO → H33OO++ + + ··OHOH

Capazes de romper as operações Capazes de romper as operações normais das célulasnormais das células

Dano depende da atividade e da energia Dano depende da atividade e da energia da radiação, do tempo de exposição e da da radiação, do tempo de exposição e da localização da fontelocalização da fonte

Raios Raios e X → e X → prejudiciais fora do prejudiciais fora do corpocorpo

Raios Raios αα → → bloqueados pela bloqueados pela pele, mas perigosos pele, mas perigosos dentro do corpodentro do corpo

Raios Raios ββ →→ penetram 1cm na penetram 1cm na pelepele

Principal efeito da Principal efeito da exposição prolongada a exposição prolongada a baixas doses de baixas doses de radiação → câncerradiação → câncer

• Efeitos proporcionais à exposição, mesmo Efeitos proporcionais à exposição, mesmo a baixas doses. Qualquer quantidade de a baixas doses. Qualquer quantidade de radiação provoca algum risco finito de radiação provoca algum risco finito de lesãolesão

• Limite abaixo do qual não existem riscos Limite abaixo do qual não existem riscos de radiaçãode radiação

Hipóteses sobre os efeitos da Hipóteses sobre os efeitos da radiaçãoradiação

Doses de RadiaçãoDoses de Radiação

• Medição de dose absorvida de radiaçãoMedição de dose absorvida de radiação Gray (Gy) → unidade SIGray (Gy) → unidade SI

1 J de energia / kg de tecido1 J de energia / kg de tecido Rad → uso frequente em medicinaRad → uso frequente em medicina

1 x 101 x 10-2-2 J de energia / kg de tecido J de energia / kg de tecido 1 Gy = 100 rads1 Gy = 100 rads

• Efetividade Biológica Relativa (EBR)Efetividade Biológica Relativa (EBR) Medição do dano biológico relativo Medição do dano biológico relativo

causado pela radiaçãocausado pela radiação Varia com a taxa da dose, com a dose Varia com a taxa da dose, com a dose

total e com o tipo de tecido afetadototal e com o tipo de tecido afetado

• Dose EfetivaDose Efetiva Sievert (Sv) = (Gy) x Sievert (Sv) = (Gy) x

(EBR)(EBR) Unidade SIUnidade SI

Nº de rems = (Nº de rads) Nº de rems = (Nº de rads) x (EBR)x (EBR) Equivale a Equivale a

roentgen/ser vivoroentgen/ser vivo Geralmente usado na Geralmente usado na

medicinamedicina 1 Sv = 100 rem1 Sv = 100 rem

• Exposição média por uma Exposição média por uma pessoa em um ano a pessoa em um ano a radiações ionizantes = 360 radiações ionizantes = 360 mremmrem

Radônio-222Radônio-222

• Gás nobre radioativoGás nobre radioativo• Formado pelo decaimento do urânio de Formado pelo decaimento do urânio de

rochas e solosrochas e solos• Interação entre propriedades químicas e Interação entre propriedades químicas e

nuclearesnucleares Extremamente não-reativoExtremamente não-reativo

Escapa do solo sem reagir Escapa do solo sem reagir quimicamentequimicamente

Facilmente inalado e exaladoFacilmente inalado e exalado

222 222 218 218 44 Rn → Po + HeRn → Po + He

86 86 84 84 22

Partícula Partícula αα tem alta EBR tem alta EBR

218 218 214 214 44

Po → Pb + HePo → Pb + He84 84 82 82 22

Polônio-218 pode ficar retido nos pulmõesPolônio-218 pode ficar retido nos pulmões Responsável por 10% das mortes por câncer Responsável por 10% das mortes por câncer

nos pulmõesnos pulmões Níveis de radônio-222 ≤ 4 pCi/LNíveis de radônio-222 ≤ 4 pCi/Larar

Areia MonazíticaAreia Monazítica• Encontrada no litoral brasileiroEncontrada no litoral brasileiro• Composta de vários minerais pesadosComposta de vários minerais pesados

Monazita → fosfatos, tório e urânio Monazita → fosfatos, tório e urânio (fabricação de vidros especiais como tubos (fabricação de vidros especiais como tubos de televisores, catalisadores para petróleo e de televisores, catalisadores para petróleo e fibras ópticas)fibras ópticas)

Zircão → silicato de zircônio, háfnio Zircão → silicato de zircônio, háfnio (fabricação de refratários, moldes de (fabricação de refratários, moldes de fundição e peças para reatores nucleares)fundição e peças para reatores nucleares)

Ilmenita → óxido de ferro e titânio (ampla Ilmenita → óxido de ferro e titânio (ampla aplicação na indústria aeroespacial, como aplicação na indústria aeroespacial, como ligas em motores e turbinas)ligas em motores e turbinas)

A partir do tório obtém-se o urânio físsilA partir do tório obtém-se o urânio físsil Vendia-se aos EUAVendia-se aos EUA Era beneficiado no Complexo Era beneficiado no Complexo

Industrial de Poços de Caldas, que hoje Industrial de Poços de Caldas, que hoje está desativadoestá desativado

Terapia por radiaçãoTerapia por radiação

• Radioterapia → tratamento por radiação de Radioterapia → tratamento por radiação de alta energiaalta energia

• Tumores malignos → massas de tecido Tumores malignos → massas de tecido anormalanormal Podem ser causados pela radiação de alta Podem ser causados pela radiação de alta

energiaenergia Podem ser destruídos pela exposição à Podem ser destruídos pela exposição à

mesmamesma Células que se reproduzem rapidamente Células que se reproduzem rapidamente

são mais susceptíveis aos danos da são mais susceptíveis aos danos da radiaçãoradiação

• Radionuclídeos usadosRadionuclídeos usados Meias-vidas pequenas → grande Meias-vidas pequenas → grande

quantidade de reação em curto período de quantidade de reação em curto período de tempotempo

Fonte dentro ou fora do corpoFonte dentro ou fora do corpo Mais comum → radiação Mais comum → radiação Sementes radioativas → revestidas de Sementes radioativas → revestidas de

platinaplatina Implantadas cirurgicamenteImplantadas cirurgicamente

IngestãoIngestão Aceleradores de partículasAceleradores de partículas

• Quase impossível evitar danos às células Quase impossível evitar danos às células saudáveissaudáveis Efeitos colaterais → fadiga, náusea, perda Efeitos colaterais → fadiga, náusea, perda

de cabelos, enfraquecimento do sistema de cabelos, enfraquecimento do sistema imunológico e até morteimunológico e até morte

Referências bibliográficasReferências bibliográficas

• http://www.cnen.gov.br/lapoc/tecnica/licfisc.asphttp://www.cnen.gov.br/lapoc/tecnica/licfisc.asp

• http://www.guaraparivirtual.com.br/areia_m.asphttp://www.guaraparivirtual.com.br/areia_m.asp

• http://www.ilhagrande.org/Areia-Monazitica/http://www.ilhagrande.org/Areia-Monazitica/areia-monazitica.htmlareia-monazitica.html

• http://revistaepoca.globo.com/Revista/Epoca/http://revistaepoca.globo.com/Revista/Epoca/0,0,EDR65404-6014,00.html0,0,EDR65404-6014,00.html

• T. L. Brown, H. E. LeMay Jr., B. E. Bursten e J. R. T. L. Brown, H. E. LeMay Jr., B. E. Bursten e J. R. Burdge. Burdge. Química: A Ciência CentralQuímica: A Ciência Central, 9ª. ed.. São , 9ª. ed.. São Paulo: Pearson, 2005.Paulo: Pearson, 2005.